鋰金屬負極因其超高理論比容量（3860 mAh g?1）和低電勢（-3.04 V），被視為提升鋰離子電池能量密度的關鍵。然而，鋰枝晶生長易引發短路和安全事故。傳統隔膜需兼具超薄（<20 μm）與高強度（>25 MPa）以抑制枝晶穿透，但現有技術面臨兩難：陶瓷涂層隔膜厚度過大（>20 μm）且界面接觸差；電紡納米纖維隔膜機械強度不足（<15 MPa），加壓后孔隙率下降又限制離子傳輸。此外，高成本和難以規模化生產進一步制約其應用。

合肥工業大學項宏發教授、平煒煒副教授團隊開發出一種≈10 μm纖維素復合隔膜，通過滾壓技術實現規模化制備。該隔膜將Cu(OH)?納米簇均勻限域于纖維素基質中，機械強度高達≈100 MPa（商用聚丙烯隔膜的10倍以上），離子電導率≈2.14 mS cm?1，居報道隔膜性能前列。其有效抑制鋰枝晶生長，使Li||Li對稱電池在0.5 mA cm?2下穩定循環≈1800小時，并顯著提升LiFePO?||Li和NCM811||Li全電池的倍率性能與循環壽命。

核心創新解析

圖1展示了隔膜的滾壓制備工藝：棉纖維溶于銅氨溶液后，經NaOH凝膠化、水洗至中性（pH=7），再通過梯度壓力（0–40 MPa）壓制成型（圖1a）。所得柔性薄膜（圖1b）內部形成均勻分布的Cu(OH)?納米晶須（圖1c），不僅增強力學性能，其配位銅離子還拓寬了鋰離子一維傳輸通道。

圖1 a) 纖維素復合隔膜的卷對卷（roll-to-roll）制備流程 b) 梯度加壓成型的纖維素復合隔膜數碼照片 c) 纖維素復合隔膜結構示意圖及鋰離子傳輸機制

圖2揭示了壓力對性能的調控機制。隨壓力增至40 MPa，厚度由≈50 μm降至≈10 μm（圖2d），抗拉強度升至≈105 MPa（圖2c）。SEM顯示纖維素纖維鉤連Cu(OH)?納米簇形成多孔結構（圖2e,f），AFM測得楊氏模量達1.01 GPa（圖2g），遠超聚丙烯隔膜（0.38 GPa）。納米限域效應使離子電導率躍升至≈2.14 mS cm?1（圖2h），為文獻報道最高值之一。

圖2 a) 纖維素復合隔膜凝膠態數碼照片 b) 梯度加壓成型的纖維素復合薄膜 c) 不同壓力（0–40 MPa）下隔膜的離子電導率、厚度與機械強度變化 d) 隔膜截面SEM圖像 e) 隔膜截面局部放大SEM圖像 f) 纖維素基質中限域的Cu(OH)?納米針簇微觀形貌 g) AFM表面高度與楊氏模量測量結果（平均模量1.01 GPa） h) 離子電導率性能對比（含本工作纖維素復合隔膜CCS及文獻報道值[33-39]）

圖3驗證了安全性與電化學穩定性。纖維素隔膜在180℃加熱30分鐘后體積零收縮（聚丙烯隔膜收縮75%），且電解液潤濕性極佳（接觸角10秒內降為0°）（圖3a,b）。Li||Li對稱電池循環中極化電壓穩定≈60 mV（圖3c-e），循環后鋰負極沉積平坦（圖3f,g），XPS證實隔膜內無銅還原（圖3h），表明Cu(OH)?納米簇可引導鋰均勻沉積。

圖3 a) 聚丙烯（PP）與纖維素復合隔膜（CCS）在25°C、120°C、180°C加熱30分鐘后的形貌對比 b) 電解液在CCS與PP隔膜表面的接觸角變化（CCS：0秒/28.9° → 10秒/0°；PP：30秒/36.2°） c-e) Li||Li對稱電池在0.5 mA cm?2、0.5 mAh cm?2條件下的恒流充放電曲線（c: 全周期, d: 第250周期, e: 第1500周期） f,g) Li||Li對稱電池循環≈80小時后鋰箔表面沉積形貌（f: PP隔膜, g: CCS隔膜） h) 循環前后隔膜截面Cu元素XPS深度分析

圖4展現了全電池卓越性能：LiFePO?||Li電池在5C倍率下容量達96.2 mAh g?1，遠超聚丙烯隔膜（66.9 mAh g?1）（圖4a）；NCM811||Li電池在1C下循環420次后容量保持率86.7%（≈162 mAh g?1），平均庫倫效率99.96%（圖4d）。這歸因于高離子電導率與枝晶抑制能力的協同作用。

圖4 a) LiFePO?||Li全電池倍率性能（0.1C–5C） b) LiFePO?||Li全電池1C倍率循環性能與庫倫效率 c) NCM811||Li全電池0.5C倍率循環性能與庫倫效率 d) NCM811||Li全電池1C倍率循環性能與庫倫效率

應用前景

該工作通過銅離子配位纖維素策略，開辟了鋰離子傳輸新路徑，同時實現隔膜超薄化（≈10 μm）、超高強度（≈100 MPa）和高離子電導率（2.14 mS cm?1）。其天然纖維素基材具備低成本、優異電解液潤濕性及阻燃特性，結合滾壓技術的可擴展性，為高安全、高能量密度鋰金屬電池的產業化鋪平道路。

來源：高分子科學前沿

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